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第1篇 基础知识 1

第1章 航空材料基础知识 1

1.1 材料性能 1

1.1.1 材料性能的分类 1

1.1.2 材料性能与其成分、组织、工艺及结构设计的关系 2

1.2 飞机设计思想的发展及对材料性能的要求 3

1.3 航空主要金属结构材料的分类及应用 5

1.3.1 结构钢和不锈钢 5

1.3.2 高温合金 7

1.3.3 铝合金 9

1.3.4 钛合金 11

1.4 复合材料概述 12

1.4.1 复合材料的定义 12

1.4.2 复合材料的组成 13

1.4.3 复合材料的主要特点 13

1.4.4 复合材料的分类 14

1.4.5 复合材料的应用 15

1.4.6 复合材料的基本力学性能 16

1.5 力学性能试验取样与制备 16

1.5.1 取样类型及取样原则 16

1.5.2 试样轴线的标识方法 18

1.5.3 试样的制备 20

1.5.4 试样包装与防护 20

1.6 力学性能试验方案设计 21

1.6.1 试验方案策划 21

1.6.2 试验方法与步骤 22

1.6.3 试验质量控制 23

1.6.4 数据处理方法及结果表达 23

1.6.5 试验结果评估 23

思考题 24

第2章 金属的变形 25

2.1 基本概念 25

2.1.1 外力与内力 25

2.1.2 变形的基本形式 26

2.1.3 应力与应变 26

2.1.4 应力状态的柔性系数 28

2.2 金属的弹性变形 29

2.2.1 弹性变形的特点 29

2.2.2 胡克定律 29

2.3 弹性模量 30

2.3.1 弹性模量的物理意义 30

2.3.2 影响弹性模量的因素 31

2.3.3 金属的弹性与弹性比功 32

2.4 金属的塑性变形 33

2.5 金属的形变强化 34

2.5.1 形变强化的工程意义 34

2.5.2 形变强化曲线和形变强化指数 34

2.5.3 影响形变强化的因素 35

思考题 36

第3章 金属的断裂与断口分析 37

3.1 断裂的类型 37

3.1.1 韧性断裂与脆性断裂 37

3.1.2 穿晶断裂与沿晶断裂 38

3.1.3 剪切断裂与解理断裂 39

3.1.4 按受力状态和环境介质分类 40

3.2 断口分析 41

3.2.1 断口分析的内容 41

3.2.2 断口分析的基本方法 42

3.3 断口的宏观形貌特征 43

3.3.1 静载荷下断口的宏观形貌特征 43

3.3.2 冲击断口的宏观形貌特征 47

3.3.3 疲劳断口的宏观形貌特征 47

3.3.4 沿晶断裂的宏观形貌特征 50

3.3.5 实际构件断口的宏观分析 50

3.4 疲劳断裂的微观形貌特征 51

3.4.1 疲劳裂纹扩展断口的微观形貌特征 51

3.4.2 近门槛值扩展区断口的微观形貌特征 53

3.4.3 低周疲劳断口的微观形貌特征 54

3.4.4 腐蚀疲劳断口的微观形貌特征 55

3.5 应力腐蚀与氢脆断口 56

3.5.1 应力腐蚀断口的形貌特征 56

3.5.2 氢脆断口的形貌特征 57

思考题 57

第4章 数据统计分析基础知识 59

4.1 基本概念 59

4.1.1 母体、个体和子样 59

4.1.2 平均值和中值 59

4.1.3 方差和标准差 60

4.1.4 变异系数 61

4.1.5 随机变量和概率密度函数 61

4.1.6 分布函数和可靠度 62

4.2 常用分布函数及其应用 63

4.2.1 正态分布及其应用 63

4.2.2 威布尔分布及其应用 65

4.2.3 t分布及其应用 66

4.2.4 x2分布及其应用 68

4.2.5 F分布及其应用 68

4.3 回归分析简介 70

4.3.1 回归分析的基本概念 70

4.3.2 一元线性回归分析 70

4.4 数据基值简介 71

4.4.1 -3σ基值 71

4.4.2 A基值和B基值 72

4.4.3 S基值 72

4.4.4 典型基值 73

4.4.5 数据基值表达设计许用值的使用原则 73

4.5 数值修约 73

4.5.1 数值修约规则 73

4.5.2 修约间隔为非10n单位的修约 74

4.5.3 界限数值的修约 74

4.6 试验结果的测量不确定度简介 75

4.6.1 测量不确定度的基本概念 75

4.6.2 测量不确定度的评定方法 76

4.6.3 测量不确定度的评定步骤 76

4.6.4 测量不确定度的评定实例 77

思考题 80

第2篇 短时力学性能 81

第5章 金属的拉伸试验 81

5.1 基本概念 81

5.1.1 拉伸图和应力-应变曲线 81

5.1.2 拉伸过程的物理现象及性能指标 83

5.1.3 拉伸试验标准的分析与比较 86

5.2 试验设备 88

5.2.1 拉力试验机 88

5.2.2 引伸计 88

5.2.3 高、低温试验装置 89

5.3 拉伸试样 91

5.3.1 比例试样 91

5.3.2 试样的形状和尺寸 91

5.3.3 试样的加工要求 92

5.4 试验前的准备工作 93

5.4.1 测量试样原始横截面积So 93

5.4.2 标记原始标距Lo 94

5.4.3 选择试验机和引伸计 94

5.4.4 确定试验速率 94

5.5 强度指标的测定 94

5.5.1 上、下屈服强度的测定 94

5.5.2 规定塑性延伸强度的测定 96

5.5.3 规定总延伸强度的测定 97

5.5.4 规定残余延伸强度的测定 97

5.5.5 抗拉强度的测定 99

5.6 塑性指标的测定 99

5.6.1 断面收缩率Z 99

5.6.2 断后伸长率A 99

5.6.3 断裂总延伸率At 100

5.6.4 最大力总延伸率和最大力塑性延伸率 100

5.6.5 屈服点延伸率Ae 101

5.7 弹性模量及泊松比的测定 101

5.7.1 弹性模量的测定 102

5.7.2 泊松比的测定 103

5.8 应变硬化指数n值的测定 104

5.8.1 真应力和真应变 104

5.8.2 试验原理 104

5.8.3 试验程序 105

5.9 高、低温拉伸试验 105

5.9.1 高温拉伸试验 105

5.9.2 低温拉伸试验 106

5.10 管材、丝材及薄板的拉伸试验 107

5.10.1 金属线材拉伸试验 107

5.10.2 金属管材拉伸试验 108

5.11 试验结果的分析处理表达 108

5.11.1 试验数据的分析处理 108

5.11.2 试验结果的数值修约 109

5.11.3 试验结果的表达 109

5.12 影响拉伸试验结果的主要因素 109

5.12.1 试样形状、尺寸及表面粗糙度的影响 109

5.12.2 试样装夹的影响 109

5.12.3 试验速度的影响 110

思考题 110

第6章 金属的硬度试验 112

6.1 布氏硬度 112

6.1.1 试验原理 112

6.1.2 试验规范及相似原理的应用 114

6.1.3 试样及试验仪器 116

6.1.4 技术要求和试验操作要点 117

6.1.5 试验结果处理 118

6.1.6 应用范围及优缺点 118

6.2 洛氏硬度 118

6.2.1 试验原理 119

6.2.2 试样及试验仪器 121

6.2.3 技术要求和试验操作要点 123

6.2.4 试验结果处理 124

6.2.5 表面洛氏硬度 124

6.2.6 应用范围及优缺点 125

6.3 维氏硬度 125

6.3.1 试验原理及特点 126

6.3.2 试样及试验仪器 127

6.3.3 技术要求和试验操作要点 128

6.3.4 试验结果处理 128

6.3.5 应用范围及优缺点 129

6.4 显微硬度测定法 129

6.4.1 维氏显微硬度 129

6.4.2 努氏显微硬度 130

6.5 肖氏硬度 130

6.5.1 试验原理 130

6.5.2 试样及试验仪器 131

6.5.3 试验操作要点 132

6.5.4 试验结果处理 132

6.5.5 应用范围及优缺点 132

思考题 132

第7章 金属的冲击试验 134

7.1 概述 134

7.1.1 加载速度与变形速度 134

7.1.2 冲击载荷下金属变形与断裂的特点 135

7.1.3 冲击韧度的意义 136

7.1.4 冲击试验的应用 137

7.2 夏比摆锤冲击试验 138

7.2.1 试验原理 138

7.2.2 冲击试验方法标准 139

7.2.3 试样设计与制备 140

7.2.4 试验设备 141

7.3 室温冲击试验 143

7.3.1 试验前的准备工作 143

7.3.2 试验操作步骤 143

7.3.3 试验结果的处理及表达 144

7.3.4 影响冲击试验结果的主要因素 144

7.4 高温和低温冲击试验 145

7.4.1 高温和低温试验装置 146

7.4.2 试样定位 146

7.4.3 试样保温时间 147

7.4.4 温度补偿 147

7.5 其他冲击试验方法 147

7.5.1 艾氏冲击试验方法 147

7.5.2 落锤试验方法 148

思考题 149

第8章 金属的压缩、弯曲、扭转和剪切试验 150

8.1 金属压缩试验 150

8.1.1 压缩试验的特点 150

8.1.2 压缩试验原理 150

8.1.3 试样及设备 151

8.1.4 压缩力学性能测定 153

8.1.5 压缩试验的破坏特征 157

8.2 金属弯曲力学性能试验 158

8.2.1 弯曲试验的工程应用及特点 158

8.2.2 弯曲试验原理 158

8.2.3 弯曲力学性能的测定 162

8.3 金属扭转试验 167

8.3.1 扭转试验的特点及应用 167

8.3.2 扭转试验的原理 167

8.3.3 扭转力学性能的测试 169

8.3.4 扭转力学性能指标的测定 170

8.3.5 扭转试样的断裂分析 172

8.4 金属剪切试验 172

8.4.1 剪切试验的特点及应用 172

8.4.2 剪切试验的原理 173

8.4.3 剪切力学性能的测试 173

思考题 178

第9章 金属的工艺性能试验 179

9.1 金属弯曲工艺性能试验 179

9.1.1 试样与试验装置 179

9.1.2 试验程序 181

9.1.3 试验报告 181

9.2 金属杯突工艺性能试验 181

9.2.1 试样 181

9.2.2 试验设备 182

9.2.3 试验程序 183

9.2.4 试验报告 183

9.3 金属丝材扭转工艺性能试验 183

9.3.1 试样 184

9.3.2 试验设备 184

9.3.3 试验程序 184

9.3.4 试验报告 185

9.4 金属顶锻工艺性能试验 185

9.4.1 试样 185

9.4.2 试验设备 186

9.4.3 试验程序 186

9.4.4 试验报告 186

9.5 金属反复弯曲工艺性能试验 186

9.5.1 试样 186

9.5.2 试验设备 187

9.5.3 试验程序 188

9.5.4 试验报告 189

9.6 金属线材缠绕工艺性能试验 189

9.6.1 试样 189

9.6.2 试验设备 189

9.6.3 试验程序 190

9.6.4 试验报告 190

9.7 金属管材工艺性能试验 190

9.7.1 金属管扩口试验 190

9.7.2 金属管弯曲试验 191

9.7.3 金属管卷边试验 192

9.7.4 金属管压扁试验 193

思考题 194

第10章 复合材料的静态力学性能试验 195

10.1 拉伸性能试验 195

10.1.1 试验原理 195

10.1.2 标准试验方法 195

10.1.3 试样 195

10.1.4 试验设备和夹具 196

10.1.5 试验过程 197

10.1.6 试验数据处理与表达 198

10.2 压缩性能试验 199

10.2.1 试验原理 199

10.2.2 标准试验方法分析 200

10.2.3 试样 202

10.2.4 试验设备和夹具 204

10.2.5 试验程序 204

10.2.6 试验数据处理与表达 205

10.3 弯曲性能试验 206

10.3.1 试验原理 206

10.3.2 标准试验方法 206

10.3.3 弯曲试样 206

10.3.4 试验设备和夹具 207

10.3.5 试验程序 207

10.3.6 试验数据处理与表达 208

10.4 面内剪切性能试验 210

10.4.1 试验原理 210

10.4.2 标准试验方法 210

10.4.3 面内剪切试样 211

10.4.4 试验机和应变测量装置 212

10.4.5 试验程序 212

10.4.6 试验数据处理与表达 212

10.5 层间剪切性能试验 213

10.5.1 试验原理 213

10.5.2 标准试验方法 213

10.5.3 层间剪切试样 214

10.5.4 试验设备和夹具 215

10.5.5 试验程序 215

10.5.6 试验数据处理与表达 215

思考题 216

第3篇 疲劳断裂力学性能 217

第11章 金属的高周疲劳试验 217

11.1 基本概念 217

11.1.1 疲劳破坏的特征 217

11.1.2 循环载荷 218

11.1.3 循环应力参数 218

11.1.4 疲劳试验的分类 219

11.1.5 疲劳S-N曲线 219

11.1.6 疲劳极限 220

11.1.7 高周疲劳标准试验方法简介 220

11.2 试验设备 220

11.2.1 试验机类型及特点 220

11.2.2 疲劳试验机 221

11.3 疲劳试样 221

11.3.1 应力集中与应力集中系数 221

11.3.2 试样类型及设计原则 222

11.3.3 试样制备 224

11.4 疲劳S-N曲线的测试方法 224

11.4.1 单点试验法 224

11.4.2 成组试验法 225

11.4.3 升降法 226

11.5 试验数据处理及表达 228

11.5.1 疲劳S-N曲线的数学模型 228

11.5.2 疲劳试验记录 228

11.5.3 疲劳S-N曲线的绘制 228

11.5.4 等寿命曲线图 229

11.6 成组对比试验结果的显著性检验 230

11.6.1 F检验 230

11.6.2 t检验 230

11.6.3 疲劳对比试验 230

11.7 P-S-N曲线 232

11.7.1 基本概念 232

11.7.2 P-S-N曲线的绘制 232

11.8 金属的腐蚀疲劳试验 234

11.8.1 腐蚀疲劳及特点 234

11.8.2 测试技术要点 235

11.9 影响疲劳极限的因素 235

11.9.1 合金成分与组织结构 235

11.9.2 表面状态与尺寸因素 236

思考题 236

第12章 金属的低周疲劳试验 238

12.1 基本概念 238

12.1.1 滞后回线 239

12.1.2 循环硬化和循环软化 240

12.1.3 循环应力-应变曲线 241

12.1.4 应变-寿命曲线 242

12.1.5 低周疲劳的特点 243

12.2 低周疲劳性能的测试 243

12.2.1 标准试验方法 243

12.2.2 试验设备 244

12.2.3 试样与制备 245

12.2.4 测试技术要点 247

12.2.5 低周疲劳试验的特点 249

12.3 循环应力-应变曲线的测定 249

12.3.1 单试样法 249

12.3.2 多试样法 250

12.3.3 增级试验法 250

12.4 试验数据的获得、处理及表达 250

12.4.1 试验数据的获得 250

12.4.2 试验数据的处理 250

12.4.3 试验结果的表达 252

12.5 金属的热疲劳 252

12.5.1 热疲劳现象 252

12.5.2 热疲劳试验方法 253

12.6 金属的热-机械疲劳 254

12.6.1 热-机械疲劳现象 254

12.6.2 试验原理及力学行为模型 254

12.6.3 热-机械疲劳试验方法 255

12.7 金属的疲劳-蠕变试验 256

思考题 256

第13章 金属的断裂韧度试验 257

13.1 基本概念 258

13.1.1 断裂韧度及其表征参量 258

13.1.2 裂纹的基本形式 258

13.1.3 线弹性断裂力学的几个基本概念 259

13.1.4 线弹性断裂韧度参量：KIc，KR、Kc和Kapp 262

13.1.5 裂纹扩展能量释放率GI 264

13.1.6 弹塑性状态下的断裂韧度 266

13.1.7 断裂韧度的测试方法 267

13.1.8 断裂韧度的测试意义 268

13.2 金属平面应变断裂韧度KIc的测定 268

13.2.1 试验原理 268

13.2.2 试样 269

13.2.3 试验设备 270

13.2.4 试验程序 272

13.2.5 试验数据的处理及表达 273

13.3 金属平面应力断裂韧度Kc及KR-△a曲线的测定 274

13.3.1 试验原理 274

13.3.2 试样 275

13.3.3 试验装置 275

13.3.4 有效裂纹尺寸的获取方法 275

13.3.5 试验程序 277

13.3.6 试验数据的处理及表达 277

13.4 金属延性断裂韧度JIc及JR-△a曲线的测定 278

13.4.1 试验原理 279

13.4.2 试样 279

13.4.3 试验装置 280

13.4.4 试验程序 280

13.4.5 试验数据的处理及表达 282

13.5 金属板材表面裂纹断裂韧度KIE的测定 286

13.5.1 试验原理 286

13.5.2 试样 286

13.5.3 试验装置 286

13.5.4 试验程序 288

13.5.5 试验数据的处理与表达 288

思考题 289

第14章 金属的疲劳裂纹扩展速率试验 290

14.1 疲劳裂纹的形成与扩展 290

14.1.1 疲劳破坏的特点 290

14.1.2 疲劳裂纹的形成和断裂过程 291

14.1.3 疲劳裂纹萌生机制 291

14.1.4 疲劳裂纹扩展的微观特征 293

14.2 疲劳裂纹扩展速率da/dN-△K曲线 295

14.2.1 应力强度因子K和应力强度因子幅△K 296

14.2.2 疲劳裂纹扩展速率da/dN 296

14.2.3 疲劳裂纹扩展da/dN-△K曲线和门槛值△Kth 297

14.2.4 描述da/dN-△K曲线的公式 297

14.3 疲劳裂纹扩展速率的主要影响因素 298

14.3.1 微观织构的影响 298

14.3.2 应力比的影响 299

14.3.3 加载频率的影响 300

14.3.4 厚度的影响 301

14.3.5 超载的影响 302

14.3.6 环境的影响 302

14.4 疲劳裂纹扩展的阻滞 304

14.4.1 裂纹闭合阻滞 304

14.4.2 载荷相互作用阻滞 306

14.5 疲劳裂纹扩展速率试验 308

14.5.1 疲劳裂纹扩展速率试验分类 308

14.5.2 试样及试验设备 308

14.5.3 裂纹长度测量方法 311

14.5.4 试验方法要点 313

14.5.5 试验数据的处理及测试报告 315

14.6 疲劳裂纹扩展门槛值△Kth的测定 318

14.6.1 试验原理 318

14.6.2 降K试验 319

14.6.3 增K试验 321

14.6.4 门槛值△Kth的确定及测试报告 321

14.7 谱载疲劳裂纹扩展速率试验 321

14.7.1 试验方法要点 321

14.7.2 试验结果表达 322

14.8 腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验 323

14.8.1 试样 323

14.8.2 腐蚀试验装置 323

14.8.3 试验方法要点 325

14.8.4 试验结果表达 325

14.9 疲劳小裂纹扩展速率试验 326

14.9.1 小裂纹效应 326

14.9.2 试样 327

14.9.3 小裂纹长度监测方法 328

14.9.4 试验方法要点 329

14.9.5 试验结果表达 329

14.9.6 小结 329

思考题 330

第15章 非金属材料的疲劳、断裂和冲击性能试验 332

15.1 复合材料的疲劳试验 332

15.1.1 复合材料疲劳断裂的基本概念 332

15.1.2 复合材料疲劳试验的标准试验方法 334

15.1.3 复合材料的拉伸疲劳试验 334

15.2 有机玻璃的疲劳试验 336

15.2.1 有机玻璃疲劳试验的特点 336

15.2.2 有机玻璃疲劳的标准试验方法 336

15.2.3 有机玻璃的拉伸疲劳试验 337

15.3 复合材料的层间断裂韧性试验 339

15.3.1 层间断裂韧性试验基础 339

15.3.2 Ⅰ型层间断裂韧性试验 339

15.3.3 Ⅱ型层间断裂韧性试验 340

15.4 复合材料的冲击后压缩试验（CAI） 342

15.4.1 试验原理 342

15.4.2 CAI标准试验方法 342

15.4.3 试样 342

15.4.4 试验设备和夹具 344

15.4.5 试验程序 344

15.4.6 试验数据的处理与表达 345

思考题 345

第4篇 长时力学性能 346

第16章 金属的持久和蠕变性能试验 346

16.1 基本概念 346

16.1.1 蠕变的定义 346

16.1.2 蠕变曲线 347

16.1.3 蠕变曲线数学表达式 348

16.1.4 持久和蠕变性能的表征参量 349

16.1.5 金属蠕变的变形和断裂机制 351

16.2 金属持久和蠕变性能的测试方法 354

16.2.1 标准试验方法分析与比较 354

16.2.2 试验方案设计 355

16.2.3 持久性能的测定 356

16.2.4 蠕变性能的测定 360

16.3 影响持久和蠕变性能的主要因素 363

16.3.1 金属内部组织结构的影响 363

16.3.2 工艺因素的影响 365

16.3.3 试验因素的影响 366

16.4 持久和蠕变寿命的预测方法 367

16.4.1 寿命预测方法 367

16.4.2 持久和蠕变热强综合参数曲线方程的选择 370

16.5 试验数据的处理及表达 371

16.5.1 试验数据的处理 371

16.5.2 试验数据的表达 373

思考题 375

第17章 金属的氢脆试验 377

17.1 氢脆试验航标与美国ASTM标准的比较 377

17.2 氢脆试验方法 378

附录 380

附录A 金属材料国内外常用力学性能及工艺性能试验标准方法目录 380

附录B 有机玻璃国内力学性能试验标准方法目录 382

附录C 复合材料国内外力学性能试验标准方法目录 383

附录D 金属材料性能测试国家标准与航空标准相关术语、符号差异表 384

附录E 复合材料性能测试美国ASTM标准和国家标准相关术语、符号差异表 386

附录F 标准正态分布函数数值表 388

附录G F分布单侧分位数值表（α/2=0.05和α/2=0.025） 389

附录H t分布单侧分位数值表 393

附录I x2分布单侧分位数值表 394

附录J 置信度γ=95％和γ=90％的最少有效试样个数表（可靠度P=50％，误差限度δ=±5％） 395

附录K 相关系数检验表 396

参考文献 397